| 研究課題/領域番号 |
26289054
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
中村 健太郎 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (20242315)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 超音波 / 超音波浮揚 / 音響放射力 / 非接触 / 液滴 / 滴下 / 混合 / 非線形音響 |
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| 研究実績の概要 |
次世代製薬や新規材料開発のために、空中で非接触で液体を操作したいという要求がある。これに対して、本研究では、超音波音場の音響放射力を利用して、液滴の混合、滴下、分析などを完全非接触で行う手法を開発することを目的としている。
液滴の非接触混合について、本研究以前に試験した音場を変調する方法では、一方の液滴が浮揚しにくい位置を越える必要があり、これが混合成功率を低下させていることを明らかにした。そして、直交した２つの振動系を用いる方法と、２つの反射板を移動させる方法を新たに考案し、従来よりも混合成功率を向上することに成功した。
また、振動面と反射板の間に生成した定在波音場の音圧の節に浮揚した液滴を、反射板に設けた穴から落下させる非接触滴下について検討した。反射板の穴が液滴の浮揚に与える影響を数値シミュレーションや水とエタノールを用いた実験によって明らかにし、液滴を浮揚できる穴の最大径に指針を得た。
一方、液滴１つをウエルから定在波音場中に打ち上げることに関して、MHz集束超音波を用いる方法を検討した。凹面振動子による集束バースト超音波により、ウエル内の液面からで、液滴1つを打ち上げることに成功した。駆動バースト波の継続時間等で打上げ条件を制御できる可能性を見出した。
また、高周波化して浮揚する液滴径を小さくする基礎実験を行い、100 kHzで液滴の浮揚を実現した。一方、浮揚液滴の安定点周りの揺動から液滴の質量を推定することを試み、検量線の利用や液滴の大きさの影響の補正などを検討して、質量をある程度は推定できるようになった。今後は液滴の形状の影響なども考慮に入れて推定精度を向上する必要がある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
混合については、本研究以前に試験した音場を変調する方法では、一方の液滴が浮揚しにくい位置を越える必要があり、これが混合成功率を低下させていることがわかり、新たに直交した２つの振動系を用いる方法や２つの反射板を移動させる方法を考案し、従来よりも成功率を向上することができた。その成果を学会発表にまとめることができた。
非接触滴下については、反射板の穴が液滴の浮揚に与える影響を数値シミュレーションや実験によって明らかにし、液滴を浮揚できる穴の最大径に指針を与えることができた。水とエタノールに関する実験結果等をまとめて論文投稿の準備ができた。
液滴１つをウエルから打ち上げることに関しては、MHz集束超音波を用いる方法で、打ち上げることが可能であることを確認でき、駆動バースト波の継続時間等で打上げ条件を制御できる可能性を見出すことができた。
また、高周波化して浮揚する液滴径を小さくする基礎実験も行い、100 kHzで液滴の浮揚を実現した。一方、浮揚液滴の安定点周りの揺動から液滴の質量を推定することを試み、ある程度は推定できることを確かめた。
以上のように、当初予定した検討事項はほぼ全て実施し、それぞれ一定の指針を得ることができた。特に、混合と滴下に関しては詳細な検討を行うことができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
概ね当初計画通りに進んでいるので、引き続き当初計画に沿って研究を推進する。
非接触混合については、２つの液滴が衝突・合体した後の液滴内の動きなどを詳細に観察して、真に混合が起きているのか否かを明らかにする。また、流体シミュレーションも必要に応じて行い混合メカニズムの解明に役立てる。
液滴の打ち上げについては、打ち上げ高さや、粒径の制御をできるようにしたい。また、打ち上げた液滴を定在波音場でトラップすることを実現する必要がある。
液滴の質量、粘性などの測定方法については測定精度を向上させるために、揺動の観察に高速カメラを用いることなどを検討する。また、液滴を音場中にシリンジなどで注入する場合に、必要量を正しく注入することが困難なので、液切れのよい注入方法を考案し、試験する。
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